我国生物质型煤技术进展

姜玉珊，王高敏，吴越，陈夫山，吉喆

（青岛科技大学 海洋科学与生物工程学院，山东青岛 266042）

在煤炭储量紧缺和环境日益恶化的双重压力下，生物质型煤受到广泛关注。生物质型煤是将煤粉与农林废弃物等可燃生物质及添加剂按一定比例混合压制而成的一种固体燃料，应用于工业锅炉、窑炉可节煤10%～27%，烟尘排放量减少50%～60%[1]。生物质型煤技术的发展，不仅实现了原煤的高效清洁利用，还促进了农林废弃物的资源化和能源化转化，是符合当下绿色发展理念、缓解国家能源安全危机的重要战略要求。本文从生物质型煤添加剂、成型工艺和发展现状进行综合叙述，并对生物质型煤的发展前景进行了展望。

1 生物质型煤添加剂

生物质型煤添加剂是指在粉煤成型之前，为改善型煤的物理化学性能以达到符合生产目的的辅助性原料，主要包括粘结剂、固硫剂、脱硝剂和助燃剂等。

1.1 粘结剂

粘结剂是增强颗粒之间粘结力，使生物质型煤具有一定形状和强度的物质。常用的粘结剂主要包含无机粘结剂、有机粘结剂和复合粘结剂[2]。

添加无机黏结剂如石灰、磷酸盐、硫酸盐等会使型煤灰分增加，固定碳含量降低，影响型煤燃烧性能。有机粘结剂包括淀粉、腐植酸、生物质和工业废液等，其中生物质和工业废液粘结剂由于来源广泛、绿色环保且具有较好的黏结性而引起重视，是型煤粘结剂发展的重要方向。生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，无定型的木质素是生物质固有的内在胶黏剂。当温度超过95 ℃，木质素软化、熔融形成胶体物质，在压缩成型过程中粘附、聚合生物质和煤粉颗粒，有效提高生物质型煤结合强度和耐久性[3]。在实际生产中，为进一步提高型煤强度，可利用氢氧化钠水解生物质破坏细胞壁中木质素的吡喃环，并剥离与木质素相互交联的纤维素和半纤维素，使之在型煤中发挥桥连作用，提高型煤稳定性。与此同时，生物质分解产生的多糖和单宁等物质也担负粘结作用[4]。牛玉等[5]利用NaOH碱化后的甘蔗渣作为型煤粘结剂，制得了具有较高抗压强度和跌落强度的生物质基复合型煤。复合粘结剂具有平衡型煤各项性能的优点，如活性污泥中含有大量的有机物、活性菌与无机物，高粘度的污泥可作粘结剂。王龙龙等[6]利用改良苜蓿细草、活性污泥与煤粉制成生物质型煤，研究发现活性污泥的加入大大提高了型煤的跌落强度和防水性能。

1.2 固硫剂与脱硝剂

固硫剂又称脱硫剂，是添加于型煤之中脱除游离硫或者硫氧化物的试剂。固硫剂的加入极大降低了硫化物向大气中的排放，燃烧时烟尘和SO2的排放比燃烧散煤时减少40%～60%，能够充分缓解燃煤带来的环境污染问题。常见的固硫剂主要有钙基、钠基、氨法固硫等无机固硫剂。随着生物质资源的开发，也出现了许多生物质基固硫剂。田宝农等[7-8]利用造纸黑液作为固硫剂制备了生物质黑液型煤，在型煤高温燃烧时制浆黑液中存在的碱性物质（如NaOH、Na2CO3等）与燃烧烟气中SO2反应生成硫酸盐并将硫酸盐固定在炉渣中随灰分排出；黑液添加量为32%，900 ℃下燃烧3 h时，固硫率高达89%。

脱硝剂主要是去除生物质型煤燃烧烟气中的SO2与NOx等有害气体。近年来，湿法脱硝添加剂被证实是最有效的，其过程大致为：脱硝剂将不充分燃烧产生的NO氧化为NO2，然后用水溶液将NO2还原成N2。Yutthasin[9]在实验室规模下，利用模型焦油吸收NO，评估了热解焦油的脱硝反应特征和性能。何小明等[10]对藻类生物质基脱硝剂进行了系统研究，发现马尾藻富含的碱性物质会大幅降低氮硫化物的排放；与原煤相比，添加50%马尾藻后NO和SO2的转化率分别降低了44.49%和53.81%。

1.3 助燃剂

生物质型煤主要用于层燃锅炉，其燃烧过程主要分为两个阶段：第一阶段是挥发分的析出和燃烧，在高温辐射下生物质中的有机物开始分解、析出可燃性气体，当气体浓度达到一定浓度、温度且遇到适量氧气时发生燃烧，随着燃烧范围的不断扩大，温度升高达到固定碳燃点时，便进入第二阶段，即固定碳的扩散燃烧。

助燃剂是提高生物质型煤燃烧性能的辅助原料。由于生物质中挥发分的析出温度远低于煤中挥发分的析出温度，因此生物质的加入不仅能降低型煤燃点，提高燃烧速度，还使型煤燃烧充分、灰渣含碳量低。龙尚俊等[11]利用薏苡秸秆为原料，制得的生物质型煤着火点低，燃烧时间短，燃尽率高。王华山等[12]在兰炭中掺杂大豆后着火温度降低，并改善了兰炭的燃烧特性。此外，Wang等[13]对无机助燃剂V-TiO2催化煤和玉米芯共混物燃烧的过程进行了评估，发现V-TiO2的加入使煤焦的比表面积增大，有效提高了玉米芯与煤的混合燃料效率。

2 生物质型煤技术

2.1 冷压成型

冷压成型包括不掺入粘结剂的冷压成型与掺入粘结剂的冷压成型两种类型。第一种方法是将煤与生物质分别粉碎后混合，借助高压器械在室温下直接压制成型；第二种方法是对生物质进行预处理，使主要组分发生化学反应，生成具有粘结性的物质，随后掺入粘结剂和煤粉，进行加压成型[14]。在压缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，生物质内部空隙率减少；当压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂，变成更加细小的粒子，并发生变形或塑性流动，粒子开始填充空隙并紧密接触进而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。冷压成型制得的型煤燃烧性能和强度较高，且设备及工艺研究成熟，无须高温能耗低，但型煤不具防水性。

2.2 热压成型

热压成型是将煤粉与生物质粉末进行筛分、复配、均匀混合后，在成型模具中进行高温加压成型的过程。采用热压成型时，不用任何添加剂即可制得高强度的生物质复合型煤，降低了加工成本，因为生物质中的纤维素和半纤维素在粘聚体内发挥了类似“钢筋”的加强作用，成为提高型煤强度的“网络骨架”。木质素作为生物质固有的内在胶黏剂，在高温下软化、熔融形成胶体物质，提高了成型物的机械强度和耐久性。此外，经热压的生物质燃烧会产生孔隙结构，有利于分子间共价键的形成，使生物质与煤紧密胶粘在一起，保持较高的强度。同时煤炭会产生煤焦油，使型煤表面疏水化，因此热压生物质型煤具有良好的防水性能。与冷压成型相比，热压成型技术对压力的要求较小，能够延长机器零件寿命，但是加热过程能耗相对较高。

3 应用现状与前景

目前，生物质型煤主要应用于中小型企业的工业锅炉，有效缓解了企业供煤不足的问题，同时削减了污染物的排放，减免了除尘脱硫设备及其运行维护费用。生物质型煤技术的发展，实现了农林废弃物的高值化利用，部分替代和节约化石资源，有利于改善中国的能源结构，在节能、环保、经济等方面展现出明显的优势。

生物质型煤技术是新型的洁净煤技术，能有效缓解工业型煤需求量大与生产水平有限、技术不过关的矛盾，为我国工业型煤的研制、生产和加速推广应用注入新的活力，具有广阔的应用前景。当地政府和企业应遵循因地制宜的原则，开发适合当地使用的生物质型煤技术，就地取材对农林废弃物进行高值化利用。生物质型煤技术的发展需要国家的推广和企业的支持，使其广泛地应用于电力、建材等工业领域，减少对煤炭等不可再生资源的依赖。生物质型煤技术与人工智能相结合，筛选生产型煤的工艺条件，逐步提高型煤的各项性能并降低生产成本，生产满足企业需求的优质型煤，使生物质型煤大规模工业化生产成为可能。

4 结语

利用原煤和生物质制备固体燃料将是我国生物质型煤发展的趋势，为煤炭的清洁燃烧提供了行之有效的途径。生物质型煤具有良好的燃烧性能和节能环保特点，但是其燃烧热值比原煤要低，并且工业生产的生物质型煤在高温热强度和固硫率、防水性等方面仍然存在一些问题有待完善，在我国尚处于实验室研究、工业试生产阶段，未形成规模的工业生产体系。生物质型煤生产过程中，需有高压设备以及前期的测定与筛选环节，这增加了型煤的生产配套设备，而且消耗大量的水、电资源，从而增加了生产成本。生物质型煤的发展与推广亟需政府的大力支持和引领，以及研发机构和企业的共同努力。同时生物质型煤产业应与人工智能大数据相结合，继续寻找合适的制备工艺，不断完善型煤固硫固硝、防水、燃烧等各项性能，并进一步降低生产成本，制造出符合生产需求的清洁型煤。